Według badań przeprowadzonych przez naukowców z Weill Cornell Medicine i National Heart, Lung and Blood Institute, będącego częścią National Institutes of Health, DNA może naśladować funkcje białek, składając się w skomplikowane, trójwymiarowe struktury.
W badaniu, opublikowanym 21 czerwca w Nature, naukowcy wykorzystali techniki obrazowania o wysokiej rozdzielczości, aby ujawnić nowatorską i złożoną strukturę stworzonej przez nich cząsteczki DNA, która naśladuje aktywność białka zwanego białkiem zielonej fluorescencji (GFP). GFP, który pochodzi z meduz, stał się ważnym narzędziem laboratoryjnym, działającym jako znacznik fluorescencyjny lub latarnia morska w komórkach.
Odkrycia posuwają naprzód naukę o tym, jak DNA można złożyć w złożone kształty, i pomogą naukowcom zbudować takie cząsteczki DNA do różnych zastosowań laboratoryjnych i klinicznych. Na przykład znacznik fluorescencyjny składający się wyłącznie z DNA, który naśladuje GFP, byłby często idealny do znakowania docelowych fragmentów DNA w badaniach biologicznych i diagnostycznych zestawach testowych, a jego wykonanie byłoby stosunkowo niedrogie.
„Te odkrycia naprawdę zmieniają nasze rozumienie tego, co możemy zrobić z DNA” – powiedziała współautorka badania, dr Samie Jaffrey, profesor farmakologii Greenberg-Starr i członek Sandra and Edward Meyer Cancer Center w Weill Cornell Medicine.
DNA w naturze istnieje głównie w formie dwuniciowej, „skręconej drabiny” lub „helikalnej” i służy jako stosunkowo stabilny magazyn informacji genetycznej. Wszystkie inne złożone procesy biologiczne w komórkach są wykonywane przez inne rodzaje cząsteczek, zwłaszcza białka.
W zeszłym roku dr Jaffrey i współpracownicy poinformowali o odkryciu jednej z takich cząsteczek: jednoniciowego DNA, które fałduje się w sposób, który pozwala naśladować aktywność GFP. Cząsteczka DNA, którą dr Jaffrey nazwał „sałatą” ze względu na kolor emisji fluorescencyjnych, działa poprzez wiązanie się z inną małą cząsteczką organiczną, potencjalnie fluorescencyjnym „fluoroforem” podobnym do tego w sercu GFP, i ściskanie go w sposób, który aktywuje jego zdolność do fluorescencji. Naukowcy zademonstrowali połączenie sałaty i fluoroforu jako znacznik fluorescencyjny do szybkiego wykrywania SARS-CoV-2, przyczyny COVID-19.
Dr Jaffrey i jego zespół odkryli sałatę, wytwarzając wiele jednoniciowych DNA i badając te, które mają pożądaną zdolność aktywacji fluoroforu. Ale nie wiedzieli, jakiej struktury używa sałata, aby uzyskać tę zdolność. Aby ustalić tę strukturę, zwrócili się – w nowym badaniu – do swojego długoletniego współpracownika, starszego badacza NHLBI, dr Adriana R. Ferré-D’Amaré.
W badaniach prowadzonych przez dr Luiza Passalacqua, pracownika naukowego w zespole dr Ferré-D’Amaré, wykorzystano zaawansowane techniki obrazowania strukturalnego, w tym mikroskopię krioelektronową, w celu rozdzielenia struktury sałaty w rozdzielczości atomowej. Odkryli, że składa się w kształt, który ma w środku czterokierunkowe połączenie DNA, jakiego nigdy wcześniej nie widziano, otaczając fluorofor w sposób, który go aktywuje. Zaobserwowali również, że pofałdowania sałaty są utrzymywane razem za pomocą wiązań między zasadami nukleinowymi – elementami budulcowymi DNA, które są często określane jako „litery” w czteroliterowym alfabecie DNA.
„To, co odkryliśmy, to nie DNA próbujące być jak białko; to DNA, które robi to, co robi GFP, ale na swój własny specjalny sposób” – powiedział dr Ferré-D’Amaré.
Naukowcy stwierdzili, że odkrycia powinny przyspieszyć rozwój fluorescencyjnych cząsteczek DNA, takich jak sałata, do szybkich testów diagnostycznych, a także wielu innych zastosowań naukowych, w których pożądany jest znacznik fluorescencyjny oparty na DNA.
„Badania takie jak to będą miały zasadnicze znaczenie dla stworzenia nowych narzędzi opartych na DNA” – powiedział dr Jaffrey.